Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе
Рассмотрены структура мостового вторичного преобразователя для дифференциального датчика, его векторная модель функционирования и адаптивные способы установки в квазиравновесное состояние, при котором теоретически возможна полная взаимная компенсация сигналов синфазной помехи от изменений фоновой эл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2015
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137007 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе / В.Г. Мельник, И.В. Онищенко, М.П. Рубанчук, А.В. Слицкий // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 2. — С. 75-82. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137007 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мельник, В.Г. Онищенко, И.В. Рубанчук, М.П. Слицкий, А.В. 2018-06-16T18:34:40Z 2018-06-16T18:34:40Z 2015 Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе / В.Г. Мельник, И.В. Онищенко, М.П. Рубанчук, А.В. Слицкий // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 2. — С. 75-82. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1607-7970 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137007 621.2.08 Рассмотрены структура мостового вторичного преобразователя для дифференциального датчика, его векторная модель функционирования и адаптивные способы установки в квазиравновесное состояние, при котором теоретически возможна полная взаимная компенсация сигналов синфазной помехи от изменений фоновой электропроводности буферного раствора даже при неидентичных кондуктометрических преобразователях, образующих дифференциальную пару. Приведены математические выражения для расчетов диагностических параметров датчиков и параметров необходимого квазиравновесия. Розглянуто структуру мостового вторинного перетворювача для диференціального датчика, його векторну модель функціонування та адаптивні способи встановлення в квазірівноважний стан, при якому теоретично можлива повна взаємна компенсація сигналів синфазної завади від змін фонової електропровідності буферного розчину навіть при неідентичних кондуктометричних перетворювачах, що утворюють диференціальну пару. Наведено математичні вирази для розрахунків діагностичних параметрів датчиків і параметрів квазірівнoваги. The structure of the secondary converter based on AC-bridge for differential sensor, the vector models of its functioning and the ways to adaptively install a quasi-equilibrium state in which the theoretically possible full mutual compensation of common-mode interference signals from the changes of background of conductivity of the buffer solution, even under non-identical conductometric transducers forming a differential pair are discussed. The mathematical expressions for the calculation of diagnostic parameters of a sensor and the necessary parameters of quasi-equilibrium of a bridge are given. ru Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе Диференціальна кондуктометрична система з покращеним придушенням синфазної завади Differential conductometric system with improved suppression of common-mode interferences Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| spellingShingle |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе Мельник, В.Г. Онищенко, И.В. Рубанчук, М.П. Слицкий, А.В. Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| title_short |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| title_full |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| title_fullStr |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| title_full_unstemmed |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| title_sort |
улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе |
| author |
Мельник, В.Г. Онищенко, И.В. Рубанчук, М.П. Слицкий, А.В. |
| author_facet |
Мельник, В.Г. Онищенко, И.В. Рубанчук, М.П. Слицкий, А.В. |
| topic |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| topic_facet |
Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Технічна електродинаміка |
| publisher |
Інститут електродинаміки НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Диференціальна кондуктометрична система з покращеним придушенням синфазної завади Differential conductometric system with improved suppression of common-mode interferences |
| description |
Рассмотрены структура мостового вторичного преобразователя для дифференциального датчика, его векторная модель функционирования и адаптивные способы установки в квазиравновесное состояние, при котором теоретически возможна полная взаимная компенсация сигналов синфазной помехи от изменений фоновой электропроводности буферного раствора даже при неидентичных кондуктометрических преобразователях, образующих дифференциальную пару. Приведены математические выражения для расчетов диагностических параметров датчиков и параметров необходимого квазиравновесия.
Розглянуто структуру мостового вторинного перетворювача для диференціального датчика, його векторну
модель функціонування та адаптивні способи встановлення в квазірівноважний стан, при якому теоретично
можлива повна взаємна компенсація сигналів синфазної завади від змін фонової електропровідності буферного
розчину навіть при неідентичних кондуктометричних перетворювачах, що утворюють диференціальну пару.
Наведено математичні вирази для розрахунків діагностичних параметрів датчиків і параметрів квазірівнoваги.
The structure of the secondary converter based on AC-bridge for differential sensor, the vector models of its functioning
and the ways to adaptively install a quasi-equilibrium state in which the theoretically possible full mutual compensation
of common-mode interference signals from the changes of background of conductivity of the buffer solution, even under
non-identical conductometric transducers forming a differential pair are discussed. The mathematical expressions for
the calculation of diagnostic parameters of a sensor and the necessary parameters of quasi-equilibrium of a bridge are
given.
|
| issn |
1607-7970 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137007 |
| citation_txt |
Улучшение подавления синфазной помехи в дифференциальной кондуктометрической биосенсорной системе / В.Г. Мельник, И.В. Онищенко, М.П. Рубанчук, А.В. Слицкий // Технічна електродинаміка. — 2015. — № 2. — С. 75-82. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT melʹnikvg ulučšeniepodavleniâsinfaznoipomehivdifferencialʹnoikonduktometričeskoibiosensornoisisteme AT oniŝenkoiv ulučšeniepodavleniâsinfaznoipomehivdifferencialʹnoikonduktometričeskoibiosensornoisisteme AT rubančukmp ulučšeniepodavleniâsinfaznoipomehivdifferencialʹnoikonduktometričeskoibiosensornoisisteme AT slickiiav ulučšeniepodavleniâsinfaznoipomehivdifferencialʹnoikonduktometričeskoibiosensornoisisteme AT melʹnikvg diferencíalʹnakonduktometričnasistemazpokraŝenimpridušennâmsinfaznoízavadi AT oniŝenkoiv diferencíalʹnakonduktometričnasistemazpokraŝenimpridušennâmsinfaznoízavadi AT rubančukmp diferencíalʹnakonduktometričnasistemazpokraŝenimpridušennâmsinfaznoízavadi AT slickiiav diferencíalʹnakonduktometričnasistemazpokraŝenimpridušennâmsinfaznoízavadi AT melʹnikvg differentialconductometricsystemwithimprovedsuppressionofcommonmodeinterferences AT oniŝenkoiv differentialconductometricsystemwithimprovedsuppressionofcommonmodeinterferences AT rubančukmp differentialconductometricsystemwithimprovedsuppressionofcommonmodeinterferences AT slickiiav differentialconductometricsystemwithimprovedsuppressionofcommonmodeinterferences |
| first_indexed |
2025-11-24T21:38:54Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:38:54Z |
| _version_ |
1850498315698831360 |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2 75
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ
УДК 621.2.08
УЛУЧШЕНИЕ ПОДАВЛЕНИЯ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОЙ БИОСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЕ
В.Г. Мельник, канд.техн.наук, И.В. Онищенко, М.П. Рубанчук, канд.техн.наук, А.В. Слицкий
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина.
e-mail: melnik@ied.org.ua
Рассмотрены структура мостового вторичного преобразователя для дифференциального датчика, его век-
торная модель функционирования и адаптивные способы установки в квазиравновесное состояние, при кото-
ром теоретически возможна полная взаимная компенсация сигналов синфазной помехи от изменений фоновой
электропроводности буферного раствора даже при неидентичных кондуктометрических преобразователях,
образующих дифференциальную пару. Приведены математические выражения для расчетов диагностических
параметров датчиков и параметров необходимого квазиравновесия. Библ. 15, рис. 3.
Ключевые слова: мост переменного тока, кондуктометрический метод, синфазная помеха.
Введение. Кондуктометрический метод определения концентрации растворов является при-
влекательным для разработчиков новой аппаратуры на основе биосенсоров, предназначенной для
биомедицинских исследований, контроля технологических процессов, качества продукции [2,13,15].
Его преимущества – технологичность и дешевизна аппаратуры, простота эксплуатации и метроло-
гического обеспечения. Для реализации этого метода создано большое количество селективных био-
химических преобразователей (трансдъюсеров) кондуктометрического типа [10,11,14,12]. Они пред-
ставляют собой тонкие мембраны, нанесенные на миниатюрные планарные двухэлектродные кондук-
тометрические преобразователи с встречно-гребенчатой топологией, которые помещаются в буфер-
ный раствор [2,3]. При контакте с определенного вида аналитом, внесенным в этот раствор, электро-
проводность в такой мембране изменяется за счет генерации носителей заряда в результате биохими-
ческой реакции. Практическое применение для построения биосенсорных систем получил дифферен-
циальный кондуктометрический метод, при котором биосенсорный датчик содержит два кондукто-
метрических преобразователя (один с активной, рабочей мембраной, а второй с пассивной, референ-
сной), включенные в мостовую измерительную цепь [2]. Несмотря на перспективность данного ме-
тода, он долгое время не получал широкого применения из-за нерешенных проблем обеспечения ста-
бильности электронного измерительного канала и отсутствия дешевой специализированной аппара-
туры. В последние годы были успешно решены задачи миниатюризации и упрощения конструкции
приборов, автоматизации их настройки и самодиагностики в процессе измерений. Обеспечена высо-
кая и достаточно стабильная чувствительность измерительного канала, а также прямой отсчет изме-
нений электропроводности раствора в Сименсах при идентичных изменениях неинформативных па-
раметров кондуктометрических преобразователей дифференциального датчика в широких пределах и
при условии близости их схем замещения к последовательной RС-цепи [1,5,8,9].
Дифференциальный кондуктометрический метод позволяет определять малые локальные из-
менения электропроводности раствора в активной мембране при собственной (фоновой) электропро-
водности буферного раствора на 2 – 3 порядка большей, чем измеряемые величины. При этом фоно-
вая электропроводность может изменяться от внесения аналита, изменения температуры и pH. Ука-
занные изменения фоновой электропроводности производят одинаковые воздействия на оба чувст-
вительных элемента дифференциального датчика и поэтому могут рассматриваться как синфазные
помехи. Подавление этих помех в дифференциальной кондуктометрической системе определяется
степенью идентичности преобразования сигналов рабочего и референсного чувствительных эле-
ментов, аналогично тому, как это происходит в дифференциальных операционных усилителях.
Использование дифференциального метода измерений изначально предполагает идентич-
ность функций преобразования пары сенсоров, образующих дифференциальный датчик. В противном
случае снижается эффективность такого метода и ухудшается подавление синфазных помех, что мо-
© Мельник В.Г., Онищенко И.В., Рубанчук М.П., Слицкий А.В., 2015
76 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2
жет серьезно исказить полученные результаты. Созданные программно-аппаратные средства и мето-
ды их применения позволяют успешно реализовать биосенсорные системы с высокой метроло-
гической надежностью, если tgφ (тангенс фазового угла сенсоров) не превышает 0,3, а разница их RC-
параметров лежит в пределах 3–5%. При более значительных расхождениях указанных параметров,
особенно при повышенных значениях tgφ, необходимо в процессе измерений поддерживать не-
изменной фоновую проводимость раствора, что не всегда возможно. С другой стороны, на сегод-
няшний день не решен удовлетворительно вопрос серийного производства планарных кондуктомет-
рических преобразователей с указанными выше характеристиками.
Выполненные в последнее время теоретические и экспериментальные исследования функций
преобразования разработанных дифференциальных кондуктометрических каналов с вторичными пре-
образователями на основе уравновешенных мостовых цепей, изложенные в [7], показали, что при вы-
соких (0,8–1,0) значениях tgφ и при разнице параметров (R или C) преобразователей датчика порядка
20% возникает аддитивная погрешность со значением около 20% от типичных значений измеряемых
локальных изменений электропроводности, если фоновая электропроводность раствора изменяется
на ту же величину.
По результатам этих исследований предложены и экспериментально проверены пути оптими-
зации структуры и алгоритмов функционирования разработанных ранее приборов на основе точной
раздельной компенсации падений напряжений на приэлектродных импедансах дифференциальной па-
ры кондуктометрических преобразователей, позволяющие уменьшить эту аддитивную погрешность
примерно в 2 раза [6]. Этого, однако, недостаточно для удовлетворительной достоверности результа-
тов, полученных при указанном ухудшении параметров датчиков, что может иметь место на практике.
Источником остающейся погрешности является разница фазовых углов векторов приращения
выходного сигнала моста при одинаковых изменениях электропроводности в указанных преобразо-
вателях. Эту разницу можно определить при балансировке моста и установить его в состояние квази-
равновесия, при котором достигается равенство амплитуд и фаз приращений выходного сигнала моста.
Целью статьи является обоснование нового, адаптивного, способа выполнения дифференци-
альных кондуктометрических измерений, описание необходимой для этого структуры мостового вто-
ричного преобразователя и способов установки его в необходимое состояние.
Структура измерительного канала. На рис. 1 показана структурная схема измерительного
канала дифференциальной кондуктометрической системы с датчиком S, состоящим из рабочего (ак-
тивного А) и референсного (пассивного Р) кондуктометрических преобразователей.
Zsa
А/ДZsp
N
ИНВ
Uсф
ДН
UквCa
УЭ2
К3
УЭ3
СУМ2
ПТН
-1
СД
К2
Cp АЦП
Кдн
Кл.1
Г
Кл.2
-п/2
Uсф
К1
Uкв
СУМ1
S
Ra
ФВ1
Ua
I/U
Rp
УЭ1
Up
Х
Рис. 1
Основой канала является компенсационно-мостовая измерительная цепь с уравновешиваю-
щими элементами УЭ1, 2, 3 с коэффициентами передачи, которые регулируются в следующих пре-
делах: 1 0....1;K =
2 0.... 1K = ± (регулировка квадратурной составляющей UΡ на );G ДНU K± ⋅
3.1
jK e ϕ±⋅ Δ= (регулировка фазы ΡU на ϕ±Δ );
3.2 31K K= ± Δ (регулировка модуля ΡU на 3KΔ ).
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2 77
В состав канала входят: генератор (Г) синусоидального измерительного сигнала ( GU ) и опор-
ных напряжений UСФ и UКВ, синфазного и квадратурного с GU ; компенсационно-мостовая измери-
тельная цепь; преобразователь ток-напряжение (ПТН) выходного сигнала моста ( SΔI ); синхронный
детектор (СД); аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Мостовая цепь включает ветви активного преобразователя с импедансом ZSA, который пред-
ставлен эквивалентными параметрами СA и RA, а также ветвь пассивного преобразователя ZSP с пара-
метрами CP, RP. На ZSA подается напряжение AU , полученное суммированием GU с GU , повернутым
по фазе на / 2π− с помощью фазовращателя ФВ1 и регулируемым по амплитуде с помощью урав-
новешивающего элемента УЭ1, который имеет регулируемый коэффициент передачи 1K , соответст-
вующий диапазону возможных значений tgϕ преобразователя ZSA (0…1).
На SPZ через ключ Кл.1 подается инвертированное напряжение AU , которое суммируется с
выходным напряжением ФВ, поделенным с помощью делителя напряжения ДН, и регулируемым по
амплитуде уравновешивающим элементом УЭ2, а затем преобразуется в уравновешивающем эле-
менте УЭ3. Это последнее преобразование заключается либо в регулируемом изменении фазы UP в
пределах возможных различий фазовых углов ZSA и ZSP (примерно ±5°), либо в регулировании амп-
литуды UP соответственно пределам соотношения модулей ZSP/ ZSA (примерно ±10%).
При принятом диапазоне регулирования коэффициента передачи УЭ2 (0 ± 1) коэффициент
передачи делителя ДН определяется относительной величиной возможной разницы тангенсов фазо-
вых углов преобразователей ( Ptgϕ – tgϕΑ ).
Выходной ток мостовой цепи SΔI преобразуется с помощью ПТН в напряжение информа-
тивного сигнала. Из этого напряжения синхронным детектором СД выделяются необходимые в про-
цессе измерения составляющие: синфазная или квадратурная с GU , которые затем преобразуются в
цифровой код в АЦП.
Метод измерения с установкой моста в квазиравновесное состояние. Предлагаемый метод
измерений с использованием описанной мостовой цепи рассмотрим с помощью векторных диаграмм,
показанных на рис. 2, 3.
Диаграмма, изображенная
на рис. 2, соответствует слу-
чаю, когда tgϕΡ на 20%
меньше tgϕΑ за счет увели-
чения значения PC , а диа-
грамма на рис. 3 соответ-
ствует увеличению tgϕΡ на
20% за счет уменьшения
PR . Отметим, что оба эти
случая представляют край-
ние (идеализированные) си-
туации. На практике умень-
шение активного сопротив-
ления преобразователя
обычно происходит из-за
увеличения его приэлект-
родной емкости (при этом
увеличивается степень шун-
тирования этой емкостью
сопротивлений потерь в
приэлектродной области). В
результате tgϕ изменяется
в меньшей степени. Анализ
таких промежуточных ситу-
аций требует рассмотрения,
Рис. 2
78 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2
по крайней мере, трехэлементных схем замещения преобразователей, что представляет собой задачу
для отдельного исследования.
Перед определением изменений локальной проводимости раствора при внесении аналита
балансируют мостовую цепь. Первый этап балансировки заключается в компенсации падения напря-
жения на емкости рабочего (активного) преобразователя СA. Рассмотрим сначала первый случай.
В исходном состоянии моста напряжения AU и − PU равны GU (коэффициенты передачи
1K и 2K равны 0, а 3K =1). Ключ Кл.1 замкнут. Эти напряжения изображены на комплексной
плоскости Im/Rе вектором OB . Напряжения на составляющих импеданса преобразователей пред-
ставлены векторами AOA , AA B и POA , PA B (соответственно для активного и пассивного преоб-
разователей).
На первом этапе балансировки моста размыкают ключ Кл.1 и, постепенно увеличивая 1K ,
добиваются нулевого значения квадратурной к GU составляющей тока SΔΙ , который в этом случае
равен току 1
AI , протекающему через SAZ (ключ Кл.2 находится в положении UКВ). При этом вектор
напряжения 1
АU на SAZ занимает положение OC , а напряжение 1
RAU на AR , которое равно напря-
жению, приложенному к раствору в межэлектродном промежутке активного преобразователя, равно
GU . Затем замыкается ключ Кл.1, после чего на составляющих импеданса SPZ устанавливаются на-
пряжения с векторами 1
RP-U и 1
CP-U (на диаграмме векторы токов и напряжений пассивного пре-
образователя изображены с обратными знаками для удобства графического представления рас-
сматриваемых процессов). При этом ток SΔΙ зависит от различия импедансов SAZ и SPZ и равен раз-
нице векторов тока 1
AI и протекающего через SPZ тока − 1
PΙ .
На втором этапе добиваются нулевого значения квадратурной составляющей SΔΙ с помощью
регулировки 2K . При этом вектор напряжения на SPZ занимает положение OD , а вектор 1
POB на-
пряжения на растворе в пассивном преобразователе ( )2
RPU преобразуется в вектор OB . В этом со-
стоянии моста скомпенсированы падения напряжений на CA и CP, а напряжения на RA и RP равны
GU . Таким образом, мост оказывается полностью сбалансированным. Если в таком его состоянии
произвести одинаковые изменения RA и RP (таково действие синфазной помехи), изменение токов в
преобразователях будут соответствовать векторам SAΔΙ и 2
SPΔΙ . Как видно из диаграммы, проекции
этих векторов на ось Rе отличаются друг от друга, что приводит к появлению некоторого отклика
измерительного канала даже при отсутствии локального изменения электропроводности раствора в
активном преобразователе по отношению к электропроводности в пассивном преобразователе. Этот
отклик является аддитивной помехой, поскольку он добавляется к информативному отклику на из-
менение RA по отношению к RP.
Неполное подавление синфазной помехи после второго этапа балансировки моста объяс-
няется разницей фазовых углов приращений токов преобразователей SAΔI и 2
SPΔΙ по отношению к
токам AΙ и 2
PΙ . Они равны фазовым углам импедансов SAZ и SPZ соответственно [9]. Для того, что-
бы подавление помехи было полным, необходимо повернуть вектор 2
P-Ι на угол ( A Pϕ ϕ− ) по отно-
шению к вектору GU . Сделать это можно, выполнив третий этап балансировки моста, заключаю-
щийся в повороте вектора напряжения UP из положения OD в OE (на угол A Pϕ ϕ− ). При этом на-
пряжение на активной составляющей преобразователя SPZ становится равным 3
RPU , а ток в нем рав-
ным 3
PΙ . При возникновении синфазной помехи в таком состоянии моста векторы приращения токов
в преобразователях датчиков будут равны по величине и противоположны по направлению, а их
разностный сигнал будет близок к нулю. Один из вариантов такой третьей регулировки реализуется
уравновешивающим элементом УЭЗ, который выполнен в виде фазовращателя 3.1
jK e ϕ± Δ= , где
A Pϕ ϕ ϕΔ = − .
Другой вариант выполнения третьего этапа балансировки моста может быть осуществлен
двумя регулировками. Первая из них является продолжением регулировки квадратурной составляю-
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2 79
щей PU на втором этапе (регулировка 2′ ). В результате ее выполнения вектор PU перемещается из
положения OD в положение ′OD , а вектор напряжения на RP приобретает положение ′2
RPU . При
этом изменяется модуль RPU по отношению к RAU , что приводит к различиям модулей SAΔΙ и SPΔΙ
при действии синфазной помехи. Устранить это различие можно второй регулировкой ( 3′ ) с помо-
щью УЭЗ, выполненного в виде масштабного преобразователя с коэффициентом передачи
3.2 31K = ± ΔΚ (что проще, чем фазовращатель). Величины указанных регулировок могут быть рас-
считаны по значениям Aϕ , Pϕ и величины регулировки 2K на втором этапе с учетом геометрических
соотношений векторов на представленной диаграмме.
Другой случай соотношения Pϕ и Aϕ представлен диаграммой на рис. 3. Принципиально про-
цесс балансировки мостовой цепи при этом не отличается от рассмотренного выше. Однако из-за то-
го, что A PR R≠ , балансировка тока SΔΙ по синфазной с GU составляющей здесь не достигается. Ос-
таточный сигнал неравновесия может быть скомпенсирован дополнительным уравновешивающим
элементом или учтен при цифровой обработке выходных данных измерительного канала. Поскольку
информативные приращения токов преобразователей SAΔΙ и SPΔΙ определяются не токами AI и PI ,
а напряжениями RAU и RPU , указанный разбаланс моста не влияет на результат измерения.
Мостовая цепь с описанной выше балансировкой относится к классу квазиуравновешенных. В
таких приборах равновесие фиксируется не при нулевом сигнале на выходе моста, а при таком его
наперед заданном, ненулевом значении [4], которое обеспечивает нулевую разницу некоторых
других сигналов. В данном случае требуется обеспечить параллельность и равенство модулей
векторов приращений токов в ветвях моста при одинаковых изменениях активной проводимости в
кондуктометрических преобразователях. Условия достижения такого состояния квазиравновесия
моста, как будет показано ниже, можно определить в процессе его балансировки и выполнения
диагностики параметров кондукто-
метрических преобразователей.
Таким образом, процесс балансиров-
ки адаптируется к условиям изме-
рений: к неинформативным пара-
метрам преобразователей дифферен-
циального датчика, свойствам мем-
бран трансдъюсеров, составу и тем-
пературе буферного раствора. В ре-
зультате мостовая цепь приводится в
такое состояние, при котором оди-
наковые синфазные воздействия на
рабочий и референсный преобразо-
ватели не приводят к изменению вы-
ходного сигнала мостовой цепи, т.е.
достигается высокая степень инва-
риантности получаемых значений
информативного сигнала к неинфор-
мативным параметрам измеритель-
ной системы, которые могут иска-
жать результаты измерений.
В заключение рассмотрим
способы определения параметров со-
стояния квазиравновесия мостовой
цепи, которое должно быть достиг-
нуто на третьем этапе ее баланси-
ровки. При использовании УЭ3 в ви-
де фазовращателя с цифровым уп-
равлением это осуществить наиболее
Рис. 3
80 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2
просто, поскольку значение tg( )P Aϕ ϕ− легко определяется в процессе первых двух этапов балан-
сировки
tg( ) ,P Aϕ ϕ− = =
+
кв1 кв1
S S
сф1 сф1 сф1
P A S
ΔΙ ΔΙ
Ι Ι ΔΙ
где =сф1 1
A AΙ Ι – значение тока в активном преобразователе, измеряемое при разомкнутом ключе Кл.1;
сф1
SΔΙ и кв1
SΔΙ – значения синфазной и квадратурной составляющих сигнала неравновесия моста
после замыкания ключа Кл.1.
Если используется УЭЗ в виде масштабного преобразователя, то необходимо вычислить неко-
торые значения синфазной и квадратурной составляющих остаточного выходного сигнала моста пос-
ле его балансировки ( сф3
SΔΙ , кв3
SΔΙ ), при которых модуль напряжения 3
RPU становится равным 1-3
RAU и
достигается коллинеарность векторов приращений токов SAΔΙ и SPΔΙ . Для этого после завершения
этапа 2 (достижение состояния 0=кв2
SΔΙ ) измеряется синфазная составляющая тока неравновесия
сф2
SΔΙ и вычисляется значение PR , для чего используются следующие соотношения:
1
; ; 1 ; 1 .A A
P A
P P P
R R R R
R R R
−
⎛ ⎞
⎜ ⎟= + = + = + = +
⎜ ⎟
⎝ ⎠
1,2 сф2 сф2
А S SG 1,2 сф2 1,2 сф2
А S А S 1,2 1,2
А А
Ι ΔΙ ΔΙU
Ι ΔΙ Ι ΔΙ
Ι Ι
Значение AR определяют на первом этапе балансировки при диагностике преобразователей
[10]. Необходимое значение кв3
SΔΙ находят из выражения tg( ),P Aϕ ϕ= − −
+
кв3
S
сф1 сф2
А S
ΔΙ
Ι ΔΙ
где
+ =сф1 сф2 сф2
А S PΙ ΔΙ Ι .
Затем определяется искомое значение сф3
SΔΙ . Условием необходимого квазиравновесия моста
является равенство =сф3 1.2
RP RAU U . Отсюда
( ) ; ; (1 ).P A P P A PA
R R R R R R R+ = − = = −1,2 сф3 1,2 1,2 1,2 сф3 сф3 1,2
А S А A A S S AΙ ΔΙ Ι Ι Ι ΔΙ ΔΙ Ι
Отметим, что в процессе описанных балансировок определяются важные диагностические
параметры дифференциального датчика, а именно: тангенс фазового угла и активное сопротивление
рабочего преобразователя; соотношение сопротивлений рабочего и референсного преобразователей;
разница (тангенс разницы) фазовых углов референсного и рабочего преобразователей.
Выводы. Подавление синфазной помехи в кондуктометрических каналах с дифференциаль-
ными датчиками на основе двухэлектродных преобразователей, которые включены в уравновешен-
ную (полностью или частично) мостовую цепь переменного тока, принципиально ограничено при
наличии разницы фазовых углов этих преобразователей. В работе показано, что в таком канале даже
при неидентичных преобразователях, образующих дифференциальную пару, возможна теоретически
полная взаимная компенсация сигналов синфазной помехи. Для этого мостовая цепь должна быть
установлена в состояние квазиравновесия, при котором обеспечивается идентичность (равенство по
модулю и параллельность) векторов приращений токов в преобразователях датчика при действии на
них синфазной помехи. На практике ослабление синфазной помехи с учетом погрешности баланси-
ровки моста может составлять до 10 раз. Анализ процесса измерения с помощью векторных моделей
показывает, что необходимое состояние квазиравновесия моста может быть определено в процессе
его балансировки перед измерением, включающей диагностику параметров кондуктометрических
преобразователей. Оно может быть установлено поворотом по фазе напряжения, подаваемого на
референсный (пассивный) преобразователь либо изменением квадратурной к питающему напряже-
нию моста составляющей этого напряжения, а затем его модуля.
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2 81
1. Василенко А.Д., Мельник В.Г., Новик А.И., Рубанчук М.П. Стабилизация чувствительности диффе-
ренциальных кондуктометрических биосенсорных преобразователей // Технічна електродинаміка. – 2009. – №
4. – С. 66–70.
2. Дзядевич С.В., Солдаткин О.П. Наукові та технологічні засади створення мініатюрних електро-
хімічних біосенсорів. – К.: Наукова думка, 2006. – 256 с.
3. Дзядевич С.В., Шульга A.A., Пацковский С.В., Архипова В.Н., Солдаткин A.П., Стриха В.И. Тонко-
пленочный кондуктометрический датчик для ферментных биосенсоров // Электрохимия. – 1994. – T. 30. – № 8.
– C. 982–987.
4. Карандєєв К.Б., Штамбергер Г.А. Квазізрівноважені мости змінного струму. – Київ: В-во АН УРСР,
1960. − 223 c.
5. Мельник В.Г. Исследование чувствительности мостовой измерительной цепи с дифференциальным
кондуктометрическим датчиком // Праці Інституту електродинаміки НАН України. – 2009. – Вип. 22. – С.
115–118.
6. Мельник В.Г., Василенко А.Д., Дудченко А.Е., Погребняк В.Д. Исследования подавления синфазной
помехи в биосенсорной кондуктометрической системе с дифференциальными датчиками // Сенсорна елек-
троніка і мікросистемні технології. – 2014. – T. 11. – № 3. – С. 49–61.
7. Мельник В.Г., Василенко А.Д., Семенычева Л.Н. Исследования характеристик преобразования диф-
ференциальных кондуктометрических схем биосенсорных систем // Сенсорна електроніка і мікросистемні
технології. – 2011. – Т. 2(8). – № 4. – С. 53–62.
8. Мельник В.Г., Дзядевич С.В., Новик А.И., Погребняк В.Д., Слицкий А.В., Лепих Я.И., Ленков С.В.,
Проценко В.О. Обеспечение метрологической надежности кондуктометрических систем с дифференциальными
датчиками // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – 2011. – Т. 2(8). – № 4. – С. 46–52.
9. Mельник В.Г., Михаль А.А., Рубанчук М.П. Измерительные цепи для кондуктометрических преоб-
разователей с дифференциальными двухэлектродными датчиками // Технічна електродинаміка. – 2008. – № 2. –
С. 58–64.
10. Dzyadevych S.V. Conductometric enzyme biosensors: theory, technology, application // Analytica
Chimica Acta. – 2001. – Vol. 445. – Pp. 47–55.
11. Dzyadevych S.V., Arkhypova V.N., Korpan Y.I., Elskaya A.V., Soldatkin A.P., Jaffrezic-Renault N.,
Martelet C. Conductometric formaldehyde sensitive biosensor with specifically adapted analytical characteristics //
Biopolymers and cell. – 2005. – № 21 (2). – Рp. 91–106.
12. Hnaien Е.M., Lagarde F., Jaffrezic-Renault N. A rapid and sensitive alcohol oxidase/catalase
conductometric biosensor for alcohol determination // Talanta. – 2010. – Vol. 81. – Is. 1–2. – Pp. 222–227.
13. Langereis G.R. An integrated sensor system for monitoring washing processes. − April, 1999. –
Available at: http://purl.utwente.nl/publications/13975 (accessed 27.01.2015).
14. Marrakchi Mouna, Dzyadevych Sergei V., Lagarde Florence, Martelet Claude, Jaffrezic-Renault
Nicole. Conductometric biosensor based on glucose oxidase and beta-galactosidase for specific lactose determination in
milk // Materials Science and Engineering. – 2008. – Vol. 28. – Is. 5–6. – Pp. 872–875.
15. Turner A., Karube I., Wilson G. Biosensors: Fundamentals and Applications. – Oxford University
Press, 1987. – 615 p.
ДИФЕРЕНЦІАЛЬНА КОНДУКТОМЕТРИЧНА СИСТЕМА З ПОКРАЩЕНИМ ПРИДУШЕННЯМ
СИНФАЗНОЇ ЗАВАДИ
В.Г. Мельник, канд.техн.наук, І.В. Онищенко, М.П. Рубанчук, канд.техн.наук, О.В. Сліцький
Інститут Електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна.
e-mail: melnik@ied.org.ua
Розглянуто структуру мостового вторинного перетворювача для диференціального датчика, його векторну
модель функціонування та адаптивні способи встановлення в квазірівноважний стан, при якому теоретично
можлива повна взаємна компенсація сигналів синфазної завади від змін фонової електропровідності буферного
розчину навіть при неідентичних кондуктометричних перетворювачах, що утворюють диференціальну пару.
Наведено математичні вирази для розрахунків діагностичних параметрів датчиків і параметрів квазірівнo-
ваги. Бібл. 15, рис. 3.
Ключові слова: міст змінного струму, кондуктометричний метод, синфазна завада.
82 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2015. № 2
DIFFERENTIAL CONDUCTOMETRIC SYSTEM WITH IMPROVED SUPPRESSION OF
COMMON-MODE INTERFERENCES
V.G. Melnyk, I.V. Onyshchenko, M.P. Rubanchuk, O.V. Slitskiy
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
Peremohy pr., 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine.
e-mail: melnik@ied.org.ua
The structure of the secondary converter based on AC-bridge for differential sensor, the vector models of its functioning
and the ways to adaptively install a quasi-equilibrium state in which the theoretically possible full mutual compensation
of common-mode interference signals from the changes of background of conductivity of the buffer solution, even under
non-identical conductometric transducers forming a differential pair are discussed. The mathematical expressions for
the calculation of diagnostic parameters of a sensor and the necessary parameters of quasi-equilibrium of a bridge are
given. References 15, figures 3.
Keywords: ac bridge, conductance-measuring method, common-mode interference.
1. Vasylenko A.D., Melnyk V.G., Novik A.I., Rubanchuk M.P. Stabilization of the differential sensitivity of
conductometric biosensor transducers // Tekhnіchna Elektrodynamіka. – 2009. – №4. – Pp. 66–70. (Rus)
2. Dziadevych S.V., Soldatkin O.P. Scientific and technological basis of creating miniature electrochemical
biosensors. – Kyiv: Naukova Dumka, 2006. – 256 p. (Ukr)
3. Dzyadevych S.V., Shulga A.A., Patskovskyi S.V., Arkhipova V.N., Soldatkin A.P., Strikha V.I. Thin-film
conductivity sensor for enzyme biosensors // Elektrokhimiia. – 1994. – Vol. 30. – № 8. – Pp. 982–987. (Rus)
4. Karandejev K.B., Shtamberher G.A. Quasi-balanced AC bridges. – Kyiv: Vydavnytstvo Akademii Nauk
URSR, 1960. − 223 p. (Ukr)
5. Melnyk V.G. Analysis of sensitivity of the measuring bridge circuit with differential conductometric sensor
// Pratsi Instytutu Elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. – 2009. – № 22. – Pp. 115–118. (Rus)
6. Melnyk V.G., Vasylenko A.D., Dudchenko A.E., Pogrebnyak V.D. Studies of the common-mode
interferences in conductometric biosensor system with differential sensors // Sensorna Elektronika i Mikrosystemni
Tekhnologii. – 2014. – Vol. 11. – № 3. – Pp. 49–61. (Rus)
7. Melnyk V.G., Vasylenko A.D., Semenycheva L.N. Research of characteristics of differential conversion
circuits of the conductometric biosensor systems // Sensorna Elektronika i Mikrosystemni Tekhnologii. – 2011. – Vol.
2(8). – №4. – Pp. 53–62. (Rus)
8. Melnyk V.G., Dzyadevych S.V., Novik A.I., Pogrebnyak V.D., Slitskiy A.V., Lepykh Ya.I., Lenkov S.V.,
Protsenko V.O. Ensuring metrological reliability of conductometric sensors with differential systems // Sensorna
Elektronika i Mikrosystemni Tekhnologii. – 2011. – Vol. 2(8). – № 4. – Pp. 46–52. (Rus)
9. Melnyk V.G., Mikhal A.A., Rubanchuk M.P. Measuring circuit for conductometric transducers with
differential-electrode sensors // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2008. – № 2. – Pp. 58–64. (Rus)
10. Dzyadevych S.V. Conductometric enzyme biosensors: theory, technology, application // Analytica Chimica
Acta. – 2001. – Vol. 445. – Pp. 47–55.
11. Dzyadevych S.V., Arkhypova V.N., Korpan Y.I., El’skaya A.V., Soldatkin A.P., Jaffrezic-Renault N.,
Martelet C. Conductometric formaldehyde sensitive biosensor with specifically adapted analytical characteristics //
Biopolymers and cell. – 2005. – № 21 (2). – Рp. 91–106.
12. Hnaien Е.M., Lagarde F., Jaffrezic-Renault N. A rapid and sensitive alcohol oxidase/catalase
conductometric biosensor for alcohol determination // Talanta. – 2010. – Vol. 81. – Is. 1–2. – Pp. 222–227.
13. Langereis G.R.. An integrated sensor system for monitoring washing processes. − April, 1999.
−Available at: http://purl.utwente.nl/publications/13975 (accessed 27.01.2015).
14. Marrakchi Mouna, Dzyadevych Sergei V., Lagarde Florence, Martelet Claude, Jaffrezic-Renault Nicole.
Conductometric biosensor based on glucose oxidase and beta-galactosidase for specific lactose determination in milk //
Materials Science and Engineering. – 2008. – Vol. 28. – Is. 5–6. – Pp. 872–875.
15. Turner A., Karube I., Wilson G. Biosensors: Fundamentals and Applications. – Oxford University Press,
1987. − 615 p.
Надійшла 01.08.2014
Остаточний варіант 03.11.2014
|